Guido Groeseneken over betrouwbaarheid van transistoren

Transcriptie

1 Semiconductor technology & processing Guido Groeseneken over betrouwbaarheid van transistoren Ons onderzoek naar falingsmechanismen van transistoren leidde tot zelflerende chips, nieuwe data security technologieën en nieuwe biosensoren Guido Groeseneken, imec fellow & expert in betrouwbaarheid en elektrische karakterisatie van transistoren Om de betrouwbaarheid van transistoren te kunnen garanderen, bestuderen we op imec al jaren wat er gebeurt tijdens de werking en het falen ervan op het niveau van circuits, transistoren en materialen, en soms zelfs tot op het niveau van atomen. De inzichten die we op die manier verzamelen, laten ons toe om de juiste feedback te geven aan de procestechnologen die zo betrouwbare transistoren kunnen maken. Maar het is interessant om te zien dat de kennis van deze falingsmechanismen ook nuttig kan zijn voor heel andere dingen. Waar het vroeger ging om het oplossen van problemen, vormen de inzichten nu de basis voor innovatieve en verrassende oplossingen in heel verschillende domeinen. Het voorbije jaar werkte imec aan zelflerende chips, data security codes, FinFET-biosensoren en computersystemen die zichzelf corrigeren. Innovaties die onder meer gebruik maken van de kennis die aanwezig is in imecs betrouwbaarheidsgroep. Zelflerende chips Neem nu bijvoorbeeld de zelflerende of neuromorfische chip waarmee imec in 2017 uitgebreid in de pers kwam. De ontwikkeling van deze chip is onder meer gebaseerd op onze kennis van resistive RAM (RRAM)-geheugens die het doorslaan van een oxide gebruiken om een geheugenbit aan of af te zetten (0 of 1). Deze oxidedoorslag vroeger (en nog steeds) een betrouwbaarheidsprobeem gebeurt doordat er een geleidend pad ontstaat doorheen het oxide, een zogenaamd filament. Binnen imecs betrouwbaarheidsgroep ontdekten we echter dat je dit filament niet enkel kan doen ontstaan of doen verdwijnen, maar dat je ook tussenniveaus hebt: je kan de sterkte van het filament controleren. En dat is precies wat er in onze hersenen gebeurt: de verbindingen tussen neuronen kunnen sterker of zwakker worden afhankelijk van gebeurtenissen, het leerproces, enz. Deze RRAMfilamenten kunnen dus gebruikt worden in chips die werken zoals onze hersenen. Zo legde dit inzicht de basis voor de ontwikkeling van imecs neuromorfische chip die bij wijze van demonstratie zelf muziek kan componeren. 1/5

2 Imecs neuromorfische chip, ontwikkeld door onderzoekers van zowel de betrouwbaarheids- als de computerarchitectuurgroep. Databeveiliging Sinds kort werken we ook samen met COSIC, een imec onderzoeksgroep aan de KU Leuven die gespecialiseerd is in computerbeveiliging en cryptografie. Opnieuw is het onze kennis over falingsmechanismen bij transistoren (meer bepaald RRAM-filamenten) die van pas kwam. Deze falingsmechanismen kunnen immers gebruikt worden om een unieke vingerafdruk te creëren en uit te lezen voor elke chip, één die niet kan voorspeld worden. Vandaar ook de naam physically unclonable functions (of PUFs). In het geval van data-uitwisseling tussen chips, computers, sensoren, enz. is het immers belangrijk dat je zeker weet dat de info naar de juiste chip gestuurd wordt. Dit om hacking tegen te gaan. Ook het verschijnsel van Random Telegraph Noise, dat al lang een bekend fenomeen is in transistorbetrouwbaarheid, zou als beveiligings-vingerafdruk gebruikt kunnen worden. Random Telegraph Noise zijn plotselinge sprongen in spanning- of stroomniveaus ten gevolge van random vangst van ladingen in vangcentra in de poortisolatie van een transistor. Dit fenomeen is onvoorspelbaar en random, en zou dus mogelijks weer perfect bruikbaar zijn als PUF. Wat vroeger voor ons een probleem was het doorslaan van oxides of het bestaan van random telegraph noise ligt nu eigenlijk aan de basis van mooie nieuwe oplossingen voor computerbeveiliging. 2/5

3 Biosensoren Een derde voorbeeld van discipline-overschrijdende innovatie brengt ons in de wereld van life sciences. FinFETtransistoren zijn een vaste waarde voor huidige en volgende generaties computerchips. Dankzij het onderzoek dat in onze groep verricht wordt, weten we ondertussen al heel wat over hun werking, en hun falingsmechanismen, enz. Zoveel zelfs dat we nu aan het bekijken zijn of we ze ook kunnen inzetten als biosensoren. Immers, biomoleculen hebben een zekere lading, en als die lading in de buurt komt van een FinFET zal dit de stroom door de FinFET beïnvloeden. Op die manier is het dus potentieel mogelijk om een biomolecule te detecteren met een FinFET. Zelfhelende chips En tenslotte werken we ook samen met systeemarchitecten om hen te helpen betrouwbare chips te maken, zelfs met transistoren die niet meer betrouwbaar zijn. Extreem geschaalde transistoren met afmetingen kleiner dan 5 nanometer zijn immers zeer variabel en hun gedrag is onvoorspelbaar. Daarom werken systeemarchitecten aan oplossingen zoals zelfhelende chips, onder andere op basis van de bestaande modellen van de falingsmechanismen die wij hen aanleveren. Deze zelfhelende chips zullen monitors bevatten die lokaal fouten gaan detecteren waarna een slimme controller deze informatie interpreteert en beslist hoe het probleem op te lossen. Zogenaamde systeemknoppen (actuatoren) worden dan door de controller aangestuurd om het probleem op te lossen. En wat met het verder schalen van transistoren? Er worden veel manieren bekeken om het verkleinen en verbeteren van transistoren zo lang mogelijk aan te houden, zoals beschreven in de Wet van Moore. De klassieke transistorarchitectuur werd daarom vervangen door een FinFET-architectuur, en zal in de toekomst plaats maken voor nanosheets en nanodraden. En er wordt gekeken naar andere materialen dan silicium, met een hogere mobiliteit, zoals III-V materialen (germanium voor pmos en InGaAs voor nmos). Het is uiterst belangrijk om van bij het begin van de ontwikkeling van zo n nieuwe transistorarchitectuur ook te kijken naar de falingsmechanismen en de betrouwbaarheidsproblemen. In ons betrouwbaarheidsteam ging er vorig jaar bijvoorbeeld veel aandacht naar III-V transistoren. Hoewel ze goed scoren op het vlak van mobiliteit, is hun stabiliteit vooralsnog een van de belangrijkste uitdagingen voor de stap naar manufacturing kan gezet worden. De isolatielagen in III-V-transistoren bevatten veel traps of vangcentra die instabiliteit van de transistorkarakteristieken veroorzaken. Het begrijpen van dit fenomeen is essentieel om een oplossing te vinden voor deze instabiliteit. Een doorbraak op dit vlak is dus dringend nodig, en de resultaten die we publiceerden in een recente IEDM-paper zijn zeker een stap in de goede richting. In de invited paper (van Jacopo Franco) worden deze instabiliteiten eerst in detail geanalyseerd, en op basis hiervan worden concrete richtlijnen gegeven voor de ontwikkeling van III-V gate stacks met voldoende betrouwbaarheid. Het is moeilijk om nog verder in de toekomst te kijken omdat er, naarmate het einde van de wet van Moore korterbij komt, meer en meer verschillende technologieën en concepten op de radar staan (kwantumcomputers, 2D-materialen, neuromorfische computers, spinwave logica, enz...). Er is echter nog geen enkele van al die concepten echt doorgebroken. Al was 2017 volgens mij wel het jaar waarin de industrie zich sterk begon te interesseren voor kwantumcomputers, met belangrijke investeringen door grote spelers als Google en Intel. Ook imec wil een belangrijke speler worden in dit domein en lanceerde een programma rond kwantumcomputing waarin alle relevante expertise wordt samengebracht. In het verleden werd kwamtumcomputing immers eerder als een puur academisch onderzoeksveld beschouwd, nuttig voor fysici aan universiteiten maar niet voor ingenieurs en 3/5

4 bedrijven. Misschien wordt de industriële doorbraak van kwantumcomputing dus wel de volgende mijlpaal in de geschiedenis van de elektronica. Of wie weet komt die mijlpaal toch nog uit een totaal onverwachte hoek door het samenbrengen van kennis en mensen uit totaal verschillende disciplines, waardoor vaak totaal nieuwe ideeën en concepten ontstaan. Enkel de toekomst zal het ons leren! Meer weten? Lees het persbericht over de neuromorphic chip of bekijk het filmpje uit de Bollebozen -reeks die op de regionale zender ROB werd uitgezonden. Lees het artikel in imec magazine over zelfhelende chips Vraag de invited IEDM-paper op over de betrouwbaarheid van InGaAs via deze link 4/5

5 Biografie Guido Groeseneken Guido Groeseneken received his M.Sc. in Electrical and Mechanical Engineering (1980) and Ph.D. in Applied Sciences (1986), both from the KU Leuven, Belgium. In 1987 he joined imec, where he is now acting as scientific fellow, covering research fields of advanced devices and reliability physics of sub-10nm CMOS technologies. He is also Program Director of the imec PhD program and Director of Academic Relations. He has been a part-time Professor at the KU Leuven since 2001, where he has managed the European Erasmus Mundus Master program in Nanoscience and Nanotechnology from 2005 to In January 2005 he was elevated to the rank of IEEE Fellow. Guido has been a member of the Technical Program Committee for several international scientific conferences, including the IEEE International Electron Device Meeting (IEDM), the European Solid State Device Research Conference (ESSDERC), the IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), the IEEE Semiconductor Interface Specialists Conference (SISC) and the EOS/ESD Symposium. From 1999 until 2006 he acted as an editor of IEEE Transactions on Electron Devices. He is the recipient of the 2017 IEEE Cledo Brunetti award. 5/5